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自制地下事属探测器

本文介绍一种低成本、易制造的感 应平衡式金厲探测器设计。能够发现埋 藏于地面240mm以下的直径为25mm的 钱币等金厲物。
过去时代的金属探测是这样进行 的:一群人在废墟上,用各种工具翻掘地 面,从各种其他东西中检出金币、弹片等 金属物品。即使现在,一个人如果想拥有 和操作自己的金属电子探测器也不容 易。首先,市场上好的金属探测器要价都 在几百英镑以上。这对于一些寻宝者,特 别是年轻人可能买不起。其次是探测器 操作的复杂性。一般探测器要由50〜100 个元件组成,即使不发生故障,调试与操 作也要花费大量的时间。当然,市场上也
有一些简单而便宜的探测器,但这些产 品仅能算作娱乐玩具。它们的穿透深度 极为有限,而且稳定性很差,故难以承担 探宝功能。
本文介绍一种感应平衡式金属探测 器,重量轻得可以固定在操作者的手臂 上,又具有良好的探测性能:穿透深度 大,而且对铁及非铁磁性物体有良好的 分辨能力。能在很大程度上抑制对铁的 反应,包括薄的铁片。这一特性对于任何 搜寻金币和其他贵重金属的人都十分有 用。
电路性能与原理
电路设计十分简便的原因是去除了 大量的传统的模拟电路,而代之以数字
传感器和数字峰值比较器。珍宝探寻器 的完整电路框图见图1。当探寻器探头经 过金属上面时,发射器发出的信号中,只 有一定波长的数字信号能够穿透并被接 收器接收。由于接收的信夸在音频范围 内,所以可直接传送到一个蜂鸣器 (WD1)或耳机中,得到很好的检测效果。 使用耳机可以避免对环境产生噪音干 扰。此电路虽然简单,但是可以与最好的 同类产品比美。下面是探测器在不同距 离上对一个直径25mm的金币的灵敏度: 160mm连续的蜂鸣音 200nmi 一下清楚的声音 240mm刚刚能听见的声音 本仪器能检测到35mm处的一根针, 及在半米或更远距离外的较大的非铁磁 性物体。但要注意这些测量值都是在空 气中而非土壤中得到的。在地下,探测器 的穿透深度在很大程度上受土壤矿化度 的影响。探测出金厲薄片相比起来就更 为困难。能检测到与铜钱币类似的薄圆片的距离,在土壤中仅有在空气中的一 半。对薄圆片的衰减作用一部分是由于 探测器为了防止“表面效应”而使用较低 的频率。此外,探测器配置了两个平衡绕 组,可以使铁磁性金属的信号被大幅度 地衰减。事实上,这种衰减的程度,使得 探测器对于25mm直径的铜币的反应与 2(HS重量的铁块一样。
探测器的功率消耗非常低,吸收电 流约为10mA,因此,可以用一个小的9V PPS电池供电。如果使用普通的AA型干 电池串联供电,可以连续使用100小时。
电路说明
探测器的完整的电路图示于图2。平 衡式金属探头包括两个线圈:一个发射 线圈(IX)和一个接收线圈(RX)。发射线 圈由一个方波振荡器驱动,在线圈中产 生一个交变的磁场。接收线圈的安放方 式是部分叠加在发射线圈上(参见图3)。 通过调整叠加量可以找到一个平衡位 置,在这一点上,接收线圈中的感生电压 不存在或被抵消,使得只有很少或根本 没有电信号产生。只有当一个金属物体 进人线圈区域,才会引起磁场不平衡,进 而在接收线圈中产生检测信号。
围绕ICla构建一个简单的时钟发生 器作为发射器的振荡器,电路以含有16 个施密特反相器的集成电路40106的一个门ICla为基础组成。操作中振荡器的 频率是否稳定对于这种应用目标并不重 要,我们只需要在发射器的线圈上产生 一个交变的磁场。IClb用作缓冲器以稳 定ICla的负载。ICla振荡器的音频频率 由电阻R1和电容C1决定,而电阻R2用于 限定通过发射器的峰值电流为12mA。
接收器的前面是一个简单但灵敏的 预放大器,以IC2b为基础组成。用于提髙 来自接收器线圈的信号,其增益约为 165。使得当金属出现时,输出信号会有 较大的变化。它也为下一级放大器提供 较大的增益。
接为比较器(或称为电平检测器)的 IC2b用于检测放大后的接收波形的峰 值。由于这些信号的峰值变化迅速而数 值很小,很像露在水面上的冰山的尖。这 将能严重地影响电路的灵敏度。因此,在 这一点上,使用了一个简单但重要的增 强方法。即,通过电阻R9来提供一个滞后 的正向反馈,从而恢复信号为振荡器输 出的方波形式,有效地使传感器的灵敏 度提髙了两倍。
IC2b第7脚上的输出通过C5馈送给 峰值检测器的IClc。IC1是一个施密特反 向器,只有一定幅度的脉冲才能穿过它 输出。通过正确调整频率粗调控制器 VR2和细调控制器VR3,可以找到一个点,使信号能以随机的“噼啪”声通过。信 号不需进一步放大,而且由于电容C6隔 断了直流,信号可以直接送到各种扬声 器或耳机中,使人能听到信号。http://bjshdd.com
搜索线圈两个搜索线圈的绕制相当简单,没 有严格的圈数要求,多一点少一点都是 允许的。两个线圈结构相同,完整的线圈 及其详细结构见图3。各线圈以33 SWG 型(线径约0.26mm)的铜漆包线在直径 150mm的骨架上绕100圈(见图3)。绕制 时,可以在一张硬卡纸上,以适当的角度 钉上12根小钉(头部有一点向外)作为模 板。线圈沿着这些钉子顺时针绕制。然后 用短的绝缘带从线圈底下穿过扎紧,临 时固定下来。线圈可以采用乱绕方式。取 下绕好的线圈后,可以用同样的方式绕 制第二个线圈。每次绕制时标好线圈的 首、尾端,作上标记。一个线圈作为发射 器TK,另一个作为接收器RX。每个线圈 再用绝缘带沿着圆周缠紧。
感应屏蔽层接着,每个线圈都要做感应屏蔽层, 以便使得地面静电在检测头内的电容性 影响最小化。屏蔽层用200mm宽的长铝 箔或其他金属箔制成。刮去发射线圈尾 端及接收线圈首端上的一段漆皮,每个 上面焊接一段lOOnrni长的硬的裸导线,绕整个线圈缠一圈,以便在绝缘带上为 感应屏蔽层提供一个电接触。从这条线 开始,用金属箔片绕着线圈的圆周缠绕, 使绝缘带不再II出。但要注意:金屑箔不 要缠满360(,头尾之间留有一个小的间 隙(约10mm),使金属箔绕一圈后不要碰 上。两个线圈屏蔽层做法相同。然后,每 个线圈再用绝缘带紧紧缠绕一周。
每个线圈上焊接上髙质量的带屏蔽 的单芯音频电缆(麦克风电缆),电缆的实际大小的敷铜板布线见图4。电路对元 件的型号和参数要求不严格,当然,髙质 量的元件可以保证产品性能。建议使用SGSThomsonHCF40106BEY 作为 IC1,当然其他型号的40106也可以满足 电路需求。
电路构建由焊接14脚和8脚集成电 路插座和电阻开始,最后再焊接二级管 和电容。(注意:二极管的阴极K标有横 杠,安装时应不靠近PCB板)一旦焊接完盒中固定好,不要晃动。在噪音极大的环 境中,可以在蜂鸣器外再增加一个LED 管作为指示用。LED管可以通过lk串联 电阻接到IClb的第六脚与0V之间。
建议搜索臂采用PVC管,并按照图5 方式组装。作者采用了最为简单的方式。 搜索臂(长的PVC管)与搜索头之间连接 采用可旋转接头方式。用4mm尼龙电缆 卡子固定搜索器的支架。作者是将方型 雨水管的管座锯为两半,当作支架。旋转屏蔽层焊接到线圈的静电屏蔽层上。不 要使用立体声的双芯音频电缆,因为这 会引起线圈间的干扰。
轻轻地将制成的线圈的形状适当地 抻直和弯曲,使接线端面向你的相反方 向。两个线圈都应该使起始端在末端的成,需仔细地检査焊接和布线是否有错 误。

硬件装配准备一个能安装音频电缆、开关S1、 电位器VH2和VR3、以及蜂鸣器WD1的 机壳。钻4个安装燦钉螺母的孔,以便固接头上的大的燦钉、蝶母是从WC的坐便 器的铰链上拆下来的。注意,不要在搜索 头上使用任何金属的接头和紧固件。
在将搜索臂固定在控制食上之前, 先要将音频电缆穿过搜索臂,然后将搜 索臂固定在控制盒的一面上,再将较短安放并用电嫌卡子 固定 TX、RXS_ 到刚性基板上灌注 树脂前,在基极上 加上木棱,支架和 腻子。
左边,感应屏蔽层的接点并排。然后进一 步按照图3弯折线圈,使之成为椭圆形定一长、一短的两个PVC管分别作为 搜索臂和把手(见图5)。安装VR2和状,就像大写的字母“D”。探头上两个字 母“D”的直边重叠在一起。这些操作是完 成电路结构的关键。
最后,在每个线圈上缠上20m宽的 长布带(薄的洗碗布就很适合),用一点 胶固定。以后,当用树脂浇注线圈时,布 的孔隙能够吸收树脂。
电路结构探测器的印刷电路板(PCB)尺寸为 76mmx46mm。元件面布局、脱板连线和VR3的位置要保证便于调整。接好连接 蜂鸣器WD1;音频控制器VR2、VR3;开 关S1和电池卡子的连线,同时要保证连 线最短。VH2和VR3要选用金属外壳、塑 料轴的电位器,并且将外壳连接到PCB 板的地线上。这一点对于电路的稳定性 很重要。S1使用滑动开关,以防止运输过 程中意外地开、关。如果需要,¼以在蜂 鸣器上并联上一个耳机插座,或者干脆 用耳机代替蜂鸣器。要确认电池在电池的PVC管固定在控制盒的另一面,管的 顶端要作一个90°的弯曲作为把手。按图 3所示连接从搜索头来的音频电缆。同 时,将两个音频电缆的屏蔽层接到0V上。 最后,将IC1和IC2插到插座中。注意:IC1 对静电敏感,所以操作前要将你的身体 对地放电。
搜索线颶的设置搜索线圈的设置对于平衡式金属检 测器设计是一个难点。金厲检测器的两个线圈需要非常仔细和严格地互相定 位,设置时要避免犯错误。设计中为调试 错误留有一定的余量,虽然不大。但只要 一个人耐心而仔细地操作,设置两个探 测线圈还是很简单的。在封装线圈时,需 要一个已经完成的电路板。
线圈需要用清洁的聚酯树脂(不要 用聚酯树脂充填物)封装在硬的非金属 基底上。任何基底都可以使用。作者使用 一块白色的绝缘纤维板(如图3),沿板的 边缘粘上带有销钉的木条以保持树脂, 使线圈能按“原状”固定在纤维板上面, 被树脂保护起来。
先直接将一个线圈放到另一个的上 面,要确保线圈之间正确的定位(两个线 圈的静电屏蔽层已经连接在一起,见前 面关于搜索线圈部分)。调整VR2、VR3和 VR4到其阻值的中间位置,调整VR1到 780(,接通12V电池组,接通开关。电路会 “震鸣”,即发出持续的大声鸣叫。
现在慢慢地移动使线圈离开。当线 圈移动到一半时,蜂鸣器变为静默。这表 示接收线圈的电压为零。注意:移动过程 中声音可能有几个峰值和极小值点,但 需要仔细找到真正的静默位置。继续移 动线圈,在静默和震鸣之间有一个非常 狭窄的静默区。其中一个精确的点上,蜂 鸣器发出“噼啪”声。(也可能先发出嗡嗡 声,再变为“噼啪”声)
现在,将两个线圈沿着靠近的直边 稍稍移动一点。移动时,调整VR4,使蜂鸣器保持大的震鸣声(不仅仅是嗡嗡 声),一直移动到不能保持大的震鸣声为 止。线圈就定位在这一点上。用这种1方法 可以精确到几分之一毫米。BR4的作用 是找到静默和震鸣之间的临界点。当 VR4设置正确时,任何中间的静默点都 可以消除。静默并不影响性能,但可能引 起检测者分心。
接着,用一个标志笔在基板上沿着 定位好的线圈画出一系列的标志孔。这 些孔用于穿过2.5_的电缆卡子,以便将 线圈紧紧地固定在基板上。每个线圈需 要5~6个卡子。在灌注树脂前,一定要确 认线圈固定得稳固、平整。也用电缆卡子 固定好音频电缆。接着,穿过线圈中心, 用胶在基板上粘一些木棱。其作用是限 制树脂的收缩,以免收缩造成线圈的严 重的不对称。灌注树脂前,还要用一些小 木条塞住基板上的小孔。因为聚酯树脂 有非常好的流动性,而且比一般的胶黏 结得快。还要确认围绕基板的一圈木棱 不会透过树脂。然后,小心地弯曲在基板 中央的线圈,直到找到一个平衡点:在此 点蜂鸣器既不震鸣,也不静默,而是发出 噼啪”声。然后,很重要的一点是:在线 圈中部的这一小段上(约40mm)覆盖一 层蓝腻子,形成一堵垂直的腻子墙。在灌 注树脂后去掉这些腻子,以便对线圈做 最后的调整。
现在准备好搅拌和浇注树脂。只需 使用80%推荐量的触媒,以便使树脂凝 固时产生的热量和收缩量不致太大。浇 注树脂到包裹线圈的织物上,使之变湿。 然后继续浇注,直到树脂流到基板上并 且完全覆盖它。
在树脂凝固之前,电路功能可能不 会正常。此时不要做更多的调整。关闭开 关,等待24小时后,去掉那一小段线圈上 的蓝腻子,暴露出线圈。将控制器VR2、 VR3转到其中间位置,轻轻弯折暴露的 那一段线圈,直到在蜂鸣器的静默和震 鸣之间听到“噼啪”声。现在,可以在这一 小段线圈上浇注树脂,彻底固定它。
最后,在不影响已经调整好平衡状 态的IC2a、IC2b周围电路的情况下,VR1 作为可以改变预放大器IC2a反向输人端的增益的辅助设备。当线圈设置作得不 太好而调整那一小段线圈又无效时,可 使用VR1作为补救。
探寻器的使用方法
将探头远离各种金属和计算机等设 备,以免对电路引起干扰。打开电源,调 整VR2,直到在蜂鸣器的静默和震鸣之 间听到“噼啪”声,可用VR3作为细调工 具。当在静默和震鸣之间听到“嗡嗡”声 时,可以调整电路板上的VR〜为改善检 测效果,应该转动VR2和VR3使得发出快 速的“咔拉”声,因为耳朵对于慢速的“噼 啪”声不敏感,会减弱灵敏度。现在。当一 个钱币经过探头时,蜂鸣器会发出一声 展鸣,表明探寻器工作正常。
实际应用中,珍宝探寻器受要搜索 的土壤矿化度,气温和电压变化的影响, 平衡点会变化。但是本设计有较好的适 应性,只需转动VR2和VR3进行必要的调 整即可。使用中,为了效果更好,探头要 缓慢地移动,反复地擦过搜索的地表面。 整个电路的投资十分有限,使用高质量 的元件,可以使检测器的信号边缘更为 清晰,即静默和震鸣之间的变化更明显。

 
 

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